ออโรราบนดาวแคระน้ำตาล

 

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้สำรวจดาวแคระน้ำตาลดวงหนึ่งซึ่งแสดงสัญญาณของแสงเหนือใต้ แม้ว่าวัตถุนี้จะไม่ได้สังกัดอยู่กับดาวฤกษ์ใดๆ เลย

     ดาวแคระน้ำตาล(brown dwarfs) เป็นวัตถุฟากฟ้าที่แปลกประหลาดอย่างมาก พวกมันก่อตัวขึ้นในแบบเดียวกับดาวฤกษ์แต่ไม่ได้มีมวลสูงพอที่จะเริ่มจุดประกายการหลอมนิวเคลียสในแกนกลางได้ จึงทำให้มันเป็นดาวฤกษ์แท้ง(failed star) แคระน้ำตาลบางส่วนมีขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์ โดยมีเมฆและชั้นบรรยากาศที่ปั่นป่วน แม้ว่าพวกมันจะไม่มีอะไรคล้ายกับดาวเคราะห์เลย

     Jackie Faherty จากพิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติอเมริกัน ได้พบวัตถุนี้เมื่อเธอและทีมได้รับเวลาการสำรวจด้วยกล้องเวบบ์เพื่อตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวแคระน้ำตาลที่เย็นที่สุด 12 ดวง ดาวแคระน้ำตาลเป็นวัตถุที่มีมวลสูงกว่าดาวพฤหัสฯ แต่ก็ยังไม่สูงพอ จึงร้อนเพราะความร้อนที่เหลืออยู่จากการก่อตัว ดังนั้นเมื่อพวกมันมีอายุมากขึ้น ก็จะเย็นตัวลง ดาวแคระน้ำตาลที่เย็นที่สุดจึงมีอายุมากที่สุดด้วย แต่พวกที่เย็นที่สุดก็ยังสำรวจได้ยากที่สุด ไกลเกินกว่าที่กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินจะสำรวจได้และจะเข้าถึงได้ด้วยกล้องเวบบ์เท่านั้น แม้จะเย็นแต่ก็ยังจัดว่าค่อนข้างอุ่นที่ราว 200 องศาเซลเซียส พอๆ กับเตาอบ

      ในบรรดา 12 ดวงที่ทีมสำรวจ มีดวงหนึ่งที่โดดเด่นออกมา Dan Caselden นักวิทยาศาสตร์ภาคประชาชนและร่วมในโครงการ Backyard Worlds ได้พบดวงหนึ่งซึ่งมีชื่อว่า W1935 เป็นแสงสลัวเคลื่อนบนพื้นหลัง ด้วยกล้องเวบบ์ซึ่งมีความไวสูง ก้อนสลัวนั้นก็กลายเป็นสเปคตรัมอินฟราเรดที่เด่นชัด เผยให้เห็นวัตถุที่เต็มไปด้วยสารเคมี และมีรายละเอียดหนึ่งที่คาดไม่ถึง เมื่อตรวจสอบสเปคตรัมก็พบว่า มีโมเลกุลชนิดหนึ่งที่ดูดกลืนแสงอยู่ซึ่งเหนือความคาดหมาย ก็เหมือนกับเม็ดกรวดในรองเท้า เราปฏิเสธมันไม่ได้ Faherty กล่าว

การแบ่งดาวเคราะห์, ดาวแคระน้ำตาล และดาวฤกษ์ ตามมวลโดยคร่าวๆ 

      ที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า 4 ไมครอน โมเลกุลมีเธนจะดูดกลืนแสง(absorption) เกือบทั้งหมด แต่ในช่วงดูดกลืนแสงของมีเธนก็ยังเป็นลูกคลื่น ซึ่งต่อมา Faherty ก็ตระหนักว่าเป็นมีเธนในสภาพเปล่งคลื่น(emission) เพื่อตรวจจับการเปล่งคลื่นนี้ ก๊าซจะต้องมีอุณหภูมิสูงกว่า 200 องศาเซลเซียสของดาวแคระน้ำตาล หรือพูดอีกอย่างว่า เป็นแสงเหนือใต้

          บนโลก แสงเหนือใต้(aurorae) เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคทรงพลังที่พัดพาออกสู่อวกาศจากดวงอาทิตย์ ถูกสนามแม่เหล็กโลกจับไว้ ซึ่งอนุภาคจะไหลไปตามเส้นแรงสนามแม่เหล็กจนถึงพื้นที่ใกล้ขั้วโลก ชนกับโมเลกุลก๊าซและสร้างม่านแสงพริ้วขึ้นมา ดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ก็มีกระบวนการแสงเหนือใต้ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะคล้ายๆ กัน เพียงแต่ยังมีส่วนเสริมจากดวงจันทร์ที่มีกิจกรรมที่อยู่ใกล้ๆ เช่นไอโอ(Io) ในกรณีดาวพฤหัสฯ) และเอนเซลาดัส(Enceladus) ในกรณีดาวเสาร์

     แสงเหนือใต้ต้องการ 2 สิ่งคือ สนามแม่เหล็กที่รุนแรงที่ดาวแคระน้ำตาลสร้างขึ้นได้ถ้ามันหมุนรอบตัวเร็วมากพอ แต่ก็ยังต้องการก๊าซเป็นไอออนที่ร้อน หรือพลาสมาด้วย W1935 เป็นดาวแคระน้ำตาลโดดเดี่ยวซึ่งอยู่ห่างไกลจากดาวฤกษ์แม่ใดๆ แล้วพลาสมามาจากไหนกัน ทีมเองก็ไม่ทราบแต่ก็มีแนวคิด หนึ่งในนั้นและน่าจะเป็นไปได้มากที่สุดก็คือ มีดวงจันทร์ที่มีกิจกรรมทางธรณีวิทยาที่คล้ายกับไอโอ ภูเขาไฟของไอโอสร้างอนุภาคมีประจุที่ต่อมาจะหนีพ้นแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ และถูกสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสฯ ดักไว้แทน เช่นเดียวกันที่ดาวเสาร์ พุน้ำแข็งบนเอนเซลาดัสก็สร้างอนุภาคมีประจุที่ทำให้เกิดแสงเหนือใต้บนดาวเคราะห์วงแหวนนี้   

     ความเป็นไปได้ทางอื่นกลับน่าสนใจน้อยกว่ามาก เช่น วัตถุอาจผ่านเข้าใกล้ก้อนพลาสมาในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว ซึ่งเหลือทิ้งไว้โดยวัตถุที่กำลังก่อตัวบางชนิด ในกรณ๊นี้ในอนาคตกล้องเวบบ์น่าจะพบว่าแสงเหนือใต้ของ W1935 หายไป เมื่อแหล่งพลาสมากระจายหายไป

ภาพกราฟฟิคแสดงองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศของดาวแคระน้ำตาล W1935 และ W2220 จาก NIRSpec ของเวบบ์จากดาวแคระน้ำตาลที่ศึกษา 12 ดวง สองดวงนี้แทบจะเหมือนกันทุกกระเบียดทั้ง องค์ประกอบ, ความสว่างและอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม W 1935 แสดงการเปล่งคลื่นจากมีเธน ซึ่งโดดขึ้นจากรายละเอียดดูดกลืนคลื่นที่สำรวจพบบน W 2220 ทีมสงสัยว่าการเปล่งคลื่นจากมีเธนเกิดขึ้นจากกระบวนการที่สร้างแสงเหนือใต้

     แสงเหนือใต้ยังอาจจะเปิดช่องทางสู่สิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในระบบของเราเอง ในขณะที่ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์มีดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ที่ยังมีกิจกรรม เป็นแหล่งของพลาสมา แต่แสงเหนือใต้ที่พวกมันสร้างขึ้นก็ยังสว่างกว่าที่คาดไว้ บอกตรงๆ ว่าฉันรู้สึกเหมือนเดินออกจากเรื่องใหญ่โตหนึ่งไปสู่เรืองใหญ่อีกเรื่องที่เกิดในระบบสุริยะ Faherty กล่าว ดาวพฤหัสฯ, ดาวเสาร์, ยูเรนัส และเนปจูน ต่างก็มีพลังงานในชั้นบรรยากาศส่วนบนมากเกินไป

     อย่างไรก็ตาม เธอมีคำอธิบายสำหรับสิ่งที่เกิดขึ้นในระบบของเรา นั้นคือ ปรากฏการณ์ประหลาดภายในดาวเคราะห์กำลังถมพลังงานเข้าใส่ชั้นบรรยากาศส่วนนอกๆ แต่ไม่เกี่ยวกับ W1935 เนื่องจากวัตถุแสดงการเปล่งคลื่นจากมีเธนเท่านั้น ไม่พบจากก๊าซอื่นๆ อีก

     ในขณะที่ W1935 นั้นสลัวเกินกว่าจะทำการสำรวจติดตามผลจากภาคพื้นดินได้ แต่ทีมก็อาจจะขอเวลาการสำรวจเพิ่มเติมด้วยเวบบ์ บางที ข้อมูลในอนาคตจะแสดงให้เห็นการเปล่งคลื่นจากแสงเหนือใต้ที่มีความแรงแปรผัน หรือกระทั่งหายไป หรือบางทีดวงจันทร์อาจจะโผล่ออกมาให้เห็นผ่านแรงดึงโน้มถ่วงของมันเอง งานวิจัยนี้นำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 243 ที่นิว ออร์ลีนส์

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : unexplained auroras found on a lonely brown dwarf
                iflscience.com : failed star is the coldest object to potentially show aurorae beyond our solar system